базой диода. В связи с тем что ширина ООЗ w связана с величиной С/д известным соотношением [1.5]

w,,0,52y, (1.2)

где выражена в микрометрах, р - удельное сопротивление материала и-базы дано в омах на сантиметр и С/-в вольтах, становится ясно, что чем более высоковольтным является диод, тем толще он должен быть. Существует ряд факторов, ограничивающих максимально возможное обратное напряжение, которое может быть приложено к диоду. Одним из важнейших для силовых диодов оказывается явление лавинного пробоя. Суть его состоит в следующем. По мере увеличения прикладываемого к диоду напряжения растет не только ширина ООЗ, но и максимальное электрическое поле внутри этой области. Когда напряженность этого поля начинает превосходить некоторые ьсритические значения [обычно лежащие в диапазоне (0,5-1)-10 В/см], возникает лавинное умножение носителей. (Физически этот процесс обусловлен тем, что энергия, приобретаемая подвижным носителем заряда под действием поля за время свободного пробега, становится достаточной для генерации электронно-дырочной пары. В свою очередь, возникшие электрон и дырка вновь разгоняются и рождают ещё по паре носителей и т. д.) В результате лавинного умножения ток через диод лавинообразно нарастает (см. рис. 1.3, участок III). Обычно явление лавинного умножения описывают, вводя коэффициенты размножения дырок и электронов М„,

определяемые по довольно сложным формулам [1.6].

Другими важными факторами, ограничивающими напряжение, которое может быть приложено к диоду, являются процессы, происходящие на его поверхности. Дело в том, что, если не принимать специальных мер, пробой вблизи поверхности полупроводника наступает значительно раньше, чем в его объеме. Чтобы избежать этого, силовые диоды имеют специальный профиль поверхности - фаску (рис. 1.5), которая позволяет избежать наступления поверхностного пробоя.

Ток через диод 1, к которому приложено обратное напряжение, складывается в общем случае из трех компонент: диффузионного тока 1, тока генерации в ООЗ 1 и тока поверхностной утечки Ig-.

Каждая из компонент по-разному зависит от таких внешних факторов, как напряжение и температура. Кроме того, если для диффузионного и генерационного токов их теоретические зависимости от температуры и напряжения известны [1.6], то построить такую зависимость для поверх-12

А О-

I 1

Фаска

А о-

« Ш : /Л

Рис. 1.4. Структура (й, б) и обозначе- Рис. 1.5. Геометрия реального высоко-ние (е) силового диода вольтного диода

ностного тока пока не удалось. Среди причин этого следует указать на тот факт, что в ток Ig входят токи утечек через неконтролируемые примеси на поверхности диода. К этому следует добавить, что все теоретические формулы позволяют рассчитать плотности соответствующих токов, однако для расчета полного тока надо еще знать площадь, через которую соответствующий ток протекает. К сожалению, эта величина обычно не известна, так как есть веские основания считать, что ток /r может протекать не по всей площади диода. Все это приводит к тому, что ток /r рассматривают обычно как сугубо экспериментальную характеристику диода. Его температурную зависимость чаще всего аппроксимируют выражением [1.2 ]

4(7) = 4(7о)ехр[а(Г-Го)], (1-3)

где Ir{T)-ток /jj при температуре полупроводника, равной Т; а коэффицент, лежащий в диапазоне 0,03-0,08 К~.

В отличие от ВАХ, показанной на рис. 1.3, в реальных высоковольтных диодах часто не наблюдают резкого излома ВАХ при переходе от участка II к участку Ш, т. е. зависимость тока от напряжения имеет вид, показанный на рис. 1.3 пунктиром. ВАХ такого вида называют «мягкой» характеристикой.

Проводящее состояние силового диода. Под воздействием прямого напряжения потенциальный барьер уменьшается (см. рис. 1.2), в результате чего концентрация неосновных носителей у границ р-п перехода (дырок-в и-области и электронов-в р-области) экспоненциально возрастает. Это явление называют инжекцией неосновных носителей заряда. Инжектированные носители начинают диффундировать в глубь полупроводника- возникает ток через диод. Однако у высоковольтных силовых диодов связь тока с напряжением не описывается соотношением

(1.1). Дело в том, что эти приборы имеют толстую базу, падение потенциала на которой приводит к весьма сложной связи между плотностью прямого тока через диод и падением напряжения Up на нем [1.6]. Нам достаточно отметить следующее.

Самой распространенной практической аппроксимацией ВАХ диода в прямом направлении является линейная аппроксимация [1.6]

ир=иро + Гр1р, (1.4)

где Upo-пороговое напряжение диода; Гр-дифференциальное прямое сопротивление диода. Смысл этих названий будет разъяснен в гл. 2.

В работе [1.7] предложена степенная аппроксимация ВАХ, которая в некоторых случаях может оказаться более близкой к экспериментальным данным:

и=К1р, (1.5)

где К и N-константы. Значения в случае использования аппроксимации (1.5) лежат в диапазоне 0,3-0,8. На рис. 1.6 приведены реальная ВАХ тиристора типа Т173-1250 и ее линейная и степенная аппроксимации.

С ростом температуры прямое падение напряжения, как правило, увеличивается. Эту зависимость обычно получают из эксперимента, так как корректная теоретическая модель температурной зависимости прямого падения напряжения в настоящее время отсутствует.

Важным для понимания работы днода является то, что при больших плотностях тока в его слоях происходит накопление подвижных носителей заряда. Явление накопления заряда, как показано далее, существенно влияет на процесс выключения силового диода, при этом основное влияние на характеристики диода оказывает накопленный в и-базе заряд дырок: Qp. Это обусловлено относительно большей инжекцией из более сильнолегированного р-слоя, меньшей подвижностью дырок по сравнению с электронами, большей толщиной и-слоя и большим временем жизни дырок в нем.

Накопленный заряд Q зависит от прямого тока через диод и в стационарных условиях остается постоянным, так как процесс инжекции неосновных носителей заряда уравновешивается процессом их рекомбинации.

Переходный процесс включения силового полупроводникового диода. Под процессом включения диода понимается динамический процесс перехода диода из непроводящего состояния в проводящее.

При изменении полярности напряжения источника с обратной на прямую из-за инжекции неосновных носителей заряда электропроводность полупроводниковой структуры дй-